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Andorx射線探測方案

來源:先鋒科技(香港)股份有限公司   2018年04月17日 17:20  

直接和間接探測

針對不同的x射線應(yīng)用,不管是影像,,還是光譜,,Andor都可以提供全面的CCD探測系統(tǒng)。根據(jù)應(yīng)用和能量不同,,這些系統(tǒng)可以放置在真空內(nèi)使用,,或者通過法蘭和真空腔相連,也可以是單獨(dú)使用,。另外,,如果您的應(yīng)用需要對x射線進(jìn)行間接探測,Andor 也可以提供各種光纖耦合的CCD相機(jī).
Andorx射線探測方案有益于如下各種應(yīng)用:

  1. X射線/中子斷層掃描

  2. X射線光譜

  3. X射線顯微

  4. X射線光斑檢測

  5. X射線衍射

  6. X射線平板印刷術(shù)

  7. X射線地形學(xué)

  8. 等離子體研究

  9. 醫(yī)療影像

湯姆森散射

X射線可以大致可以分為幾個(gè)范圍,,雖然幾個(gè)范圍沒有嚴(yán)格清晰的定義,,但是大致可以如下分類:

  1. VUV 到XUV= 0.01 - 0.1 keV

  2. XUV 到 軟X射線 = 0.1 - 1 keV

  3. 軟x射線到硬x射線 = 1 - 10 keV

  4. 硬x射線 = 10 - 100 keV 

 電磁波及能量

公式1:單位換算

直接探測

在這類應(yīng)用中,相機(jī)的感光芯片是直接暴露在入射射線中,,這些射線光子被芯片中的靈敏的摻雜層所吸收,這樣就產(chǎn)生幾個(gè)電子空穴對,。和間接探
測及傳統(tǒng)的膠片成像相比,,這種方法有如下優(yōu)點(diǎn):

  1. 更高的量子效率

  2. 單光子的靈敏度,且無需采用EMCCD或者ICCD

  3. 更好的空間及能量分辨率

直接探測相機(jī)中的量子效率

量子效率是光子被CCD探測到的可能性概率,。然而我們要記住,,在對x射線束流進(jìn)行直接探測時(shí),一個(gè)入射光子,,能夠產(chǎn)生幾個(gè)光電子,,這樣就可以達(dá)到單光子的靈敏度。光電子產(chǎn)生的數(shù)量,,和射線的能量有關(guān),,參見公式2.

公式2: 每個(gè)光子所能產(chǎn)生的光電子
直接探測中,每個(gè)像素所能產(chǎn)生的光電子數(shù)量=x射線光子能量/3.65
下圖所示,,是幾款直接探測CCD的量子效率曲線,。

FI 是前照明的芯片,F(xiàn)I-DD表示深度摻雜的選項(xiàng),,和前照的芯片相比,,這個(gè)選項(xiàng)對于硬x射線有更好的響應(yīng),。BN是背照明的芯片,只是沒有增透膜(和BV選項(xiàng)恰恰相反),,對于軟x射線和中x射線有更好的響應(yīng),。和前照明的芯片相比,BN選項(xiàng)除了有更高的響應(yīng)外,,BN選項(xiàng)對于芯片的保護(hù)有大幅提高的作用,,可以有效防護(hù)因?yàn)檫^飽和所造成的芯片老化。對于直接探測,,我們推薦BN選項(xiàng)的芯片,。
CCD相機(jī)直接探測的優(yōu)缺點(diǎn):

 

優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

                        空間分辨率更好              

        單光子的靈敏度 

                  可以實(shí)現(xiàn)能量分辨          

                                 好的量子效率 響應(yīng)線性                    

               
            高的動(dòng)態(tài)范圍 間接探測

對于>20keV的射線,不能探測

芯片大小受限(典型值為25*25mm)

芯片會(huì)逐漸損壞

 

間接探測


當(dāng)您需要測量硬x射線,,并且有如下要求時(shí):(甚至在大的縮比光錐情況下,,也需要單光子的靈敏度(EMCCD是更好的選項(xiàng)))

  1. 量子效率好,且能延伸至硬x射線范圍

  2. 大面積(通過縮比光錐)

  3. 更高能量時(shí),,需要高的動(dòng)態(tài)范圍

  4. 需要對CCD進(jìn)行防護(hù)時(shí)

直接探測用CCD相機(jī),,是利用在光錐前端面的熒光涂層,把x射線轉(zhuǎn)換成可見光進(jìn)行探測,。對于間接探測用CCD,,它的主要性能,比如量子效率,,空間分辨率等等,,取決于所選熒光屏的參數(shù),比如,,屏的厚度,,化學(xué)成分以及顆粒大小等。
由Andor供應(yīng)商提供的*的熒光材料沉積方法,,用于間接探測所用的光纖面板前,,可以達(dá)到其的分辨率:和傳統(tǒng)的批量沉積方法相比,分辨率可以提高四倍,。量體裁衣,,能夠良好的匹配您的應(yīng)用。

 

示例:用于光譜探測的光纖面板,,帶GdO熒光涂層

光纖面板鍍了熒光涂層后,,能夠非常好的保護(hù)芯片避免因?yàn)閤射線而老化。通過改善熒光屏的空間分辨率,,再用EMCCD來提高靈敏度,,對于5keV以下的能量,就能進(jìn)行卓有成效的間接探測。

 

右圖所示,,加涂了熒光層的光纖面板CCD,對于入射光子的探測
效率,,系統(tǒng)增益有了大幅提高。所謂的系統(tǒng)增益,,是指對于每個(gè)入射射線光子,,系統(tǒng)所能測試到的光電子。這里的系統(tǒng)增益,,也和熒光涂層的類型,,厚度及顆粒大小有關(guān)。也與CCD芯片的量子效率和光纖面板有關(guān),。

面所說的例子,,是指在1:1光纖面板的涂層。熒光涂層優(yōu)化用于5-25keV的能量,,其轉(zhuǎn)換峰值在15keV,。 對于大面積的,縮比的光纖錐,,系統(tǒng)增益自然會(huì)下降,,這時(shí),可以采用EMCCD的技術(shù)來把這種稍高高于噪聲水平的弱信號進(jìn)行放大,,而讀出速度可以達(dá)到幾MHz,,這對于快速的斷層掃描類的應(yīng)用非常適合。


間接探測的優(yōu)缺點(diǎn)

 

優(yōu)點(diǎn)

缺點(diǎn)

高動(dòng)態(tài)范圍        
EMCCD兼容-單光子靈敏度 
大靶面縮比光錐 
CCD芯片被光纖面板保護(hù) 
較寬的光子能量覆蓋范圍

低空間分辨率
低的能量分辨率

 

 


EMCCD在X射線探測中開創(chuàng)性的應(yīng)用:
在x射線間接探測中,,開創(chuàng)性的方法之一,,就是一代的光纖耦合的EMCCD在其中的應(yīng)用。通過大比例的縮比光纖,,可以實(shí)現(xiàn)單光子的靈敏度及幾MHz的讀出速度,。

Andor X射線應(yīng)用相機(jī)

 

 

編號

 

描述

 

直接探測/間接探測

 

DO

 

耦合安裝在真空外

 

直接探測+間接探測

 

DX

 

真空腔內(nèi)使用

 

直接探測+間接探測

 

DY

 

獨(dú)立使用

 

直接探測+直接探測

 

DV

 

VUV/XUV(到120nm) MgF2 窗口

 

直接探測

 

DF

 

光纖面板帶熒光涂層,幾MHz讀出,,(EMCCD可用)

 

間接探測

 

Andor 提供一系列的CCD和EMCCD相機(jī),,可以用于直接和間接探測,,同時(shí)具有光譜和影像類的芯片格式,。多個(gè)相機(jī)設(shè)計(jì)平臺,可以適用于不同種類和尺寸的芯片,,從128*128的EMCCD,到2K*2K的CCD. Andor針對不同的實(shí)驗(yàn)研發(fā)了各種x射線相機(jī),,系統(tǒng)包括獨(dú)立使用的相機(jī),真空腔耦合的相機(jī),,或者真空腔內(nèi)使用的相機(jī),。


應(yīng)用案例研究

射線激光器研發(fā)


貝爾法斯特女王大學(xué)的等離子體與激光反應(yīng)物理研究分部的研究人員,在實(shí)驗(yàn)中采用了x射線相機(jī)。 其研究重點(diǎn)包括:

  1. 激光誘導(dǎo)等離子體(0.05-1KeV)

  2. X射線結(jié)晶學(xué)(1KeV左右)

  3. X射線激光研究(0.06-0.3keV)

  4. X射線光譜(0.04-0.4keV)

研究團(tuán)隊(duì)使用了多個(gè)X射線CCD相機(jī),。在如瑟夫阿普爾頓實(shí)驗(yàn)室利用Vulcan玻璃激光器裝置,,團(tuán)隊(duì)所從事的一個(gè)研究領(lǐng)域,就是研發(fā)x射線激光器,。
研究所主要采用的芯片為1024*2048個(gè)像素,,13um大小,背照明的量子效率,。這款相機(jī)的量子效率很高,,分辨率非常理想,并且靶面很大,。相機(jī)采用開口設(shè)計(jì),,直接采用法蘭連接到真空腔。同時(shí)使用平場譜儀和CCD相機(jī)對射線激光器光束進(jìn)行分析,。和相機(jī)連用的還有x射線光學(xué)器件,,把x射線激光器成像到出口,從而實(shí)現(xiàn)激光器光斑的分析,。

 

X射線激光光斑

另外一個(gè)研究領(lǐng)域,,是對噴射電離氣體的x射
線光譜分析。在女王大學(xué),,采用低溫等離子體
(0.03-0.08keV)來對成像x射線鏡
片作反射率特性分析,。把Andor DO420相機(jī)
耦合到平場光譜儀上,等離子體及x射線反射
鏡的反射光譜就可以得到,。通過把等離子源所
造成的反射光譜分開,,就可以得到波長所導(dǎo)致
的反射率變化。

本圖片由貝爾法斯特,,女王大學(xué),,等離子體與

激光反應(yīng)物理研究分部的Lewis教授及其團(tuán)隊(duì)

提供。

 

高能激光反應(yīng)實(shí)驗(yàn)


在如瑟夫阿普爾頓試驗(yàn),,在Vulcan和ASTRA這兩個(gè)激光器裝置上,,高能激光相互作用的試驗(yàn)大量采用了基于CCD的探測器。他們包括:

  1. 在(2-6keV)范圍的單光子能量測量

  2. 0.5-3Kev范圍內(nèi)的共振線譜測量

  3. 50-500eV范圍內(nèi)的軟X射線探測

  4. 可見及IR范圍內(nèi)的探測(IR到1.2um)

     

     要想實(shí)現(xiàn)盡可能多的數(shù)據(jù)收集及盡可能寬的測量范圍,,有必要要求CCD探測器有高的動(dòng)態(tài)范圍(12-16bit)和更多的像素(300K-2M像素),。不僅需要?jiǎng)討B(tài)范圍,還需要高的靈敏度和低的噪聲水平,,這點(diǎn)非常必要,,尤其是信噪比的問題關(guān)系到測量團(tuán)隊(duì)的物理限。

     

zui近若干年,,因?yàn)镃CD芯片半導(dǎo)體制冷技術(shù)的引入,,降低了暗噪聲,,以及A/D轉(zhuǎn)換性能的提升,這些都大的幫助相機(jī)得到意想不到的探測性能,。

截止目前,,已經(jīng)有十多臺相機(jī)在Vulcan和Astra裝置上使用,所采用的芯片為1024*256,。由于采用這些獨(dú)到的CCD探測器所衍生的很多新技術(shù),,幫助我們有效對超短脈沖等離子體的相互作用進(jìn)行研究。
由于更大的CCD陣列探測器的引入,,以及更經(jīng)濟(jì)的處理能力,,數(shù)字化的數(shù)據(jù)采集技術(shù)在將來的試驗(yàn)分析中,會(huì)發(fā)揮更主導(dǎo)的作用,。


感謝D. Neely博士牛津郡,,如瑟夫阿普爾頓試驗(yàn)室,中心激光裝置

顯微成像

基于EMCCD的單光子發(fā)射顯微系統(tǒng) I-125(碘125),用于小動(dòng)物成像.一直有人在努力得到小動(dòng)物的顯微成像,。采用I-125作為跟蹤試劑變得越來越普遍,。

孟玲,密歇根大學(xué)的核工程與放射科學(xué)學(xué)院博士,,聯(lián)合安納堡(Ann Arbor)的V. A.醫(yī)療中心,,和位于密歇根州大溪地(Grand Rapid)的溫安洛(Van Andel)研究所的研究人員,采用I
-125作標(biāo)記的抗體,,縮氨酸和其他成分的合成物作為發(fā)光跟蹤劑,,來進(jìn)行各種癌癥的分析檢測以及治療用放射性藥品的研究。

I-125通過捕獲電子而衰減,。I-125衰減的三個(gè)zui高的光子發(fā)射概率為:27.5keV時(shí)為76%,,31keV時(shí)為13%,35keV時(shí)為7%,,其半衰期為60.14天,。低帶隙能量和長半衰期這兩個(gè)特點(diǎn),使其非常有利于單光子成像端面掃描計(jì)算成像(Single Photon Imaging Computed Tomography:SPECT),。

  • 因?yàn)樗韫庾幽芰勘容^低,,就可以非常準(zhǔn)確的進(jìn)行光子耦合和探測。
  • 成像空間分辨率有可能達(dá)到小于100um級別,。

 

zui近,,他們又開始研發(fā)新一代SPECT技術(shù),以期對射線光子進(jìn)行快速,,高靈敏度的探測,。其所采用的相機(jī)就是Andor光纖耦合的EMCCD(DF-897-FB)

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